Sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati ni mojawapo ya machapisho muhimu zaidi ya fizikia. Fikiria historia ya kuonekana kwake, pamoja na maeneo makuu ya matumizi.
Kurasa za Historia
Kwanza, hebu tujue ni nani aliyegundua sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati. Mnamo 1841, mwanafizikia wa Kiingereza Joule na mwanasayansi wa Kirusi Lenz walifanya majaribio sambamba, kama matokeo ambayo wanasayansi waliweza kujua kwa vitendo uhusiano kati ya kazi ya mitambo na joto.
Tafiti nyingi zilizofanywa na wanafizikia katika sehemu mbalimbali za sayari yetu zilibainisha kimbele ugunduzi wa sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati. Katikati ya karne ya kumi na tisa, mwanasayansi wa Ujerumani Mayer alitoa uundaji wake. Mwanasayansi alijaribu kufanya muhtasari wa taarifa zote kuhusu umeme, mwendo wa mitambo, sumaku, fiziolojia ya binadamu iliyokuwepo wakati huo.
Katika kipindi kama hicho, mawazo sawa yalitolewa na wanasayansi huko Denmark, Uingereza, Ujerumani.
Majaribio najoto
Licha ya mawazo mbalimbali kuhusu joto, picha yake kamili ilitolewa tu kwa mwanasayansi wa Kirusi Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Watu wa zama hizi hawakuunga mkono mawazo yake, waliamini kwamba joto halihusiani na mwendo wa chembe ndogo zaidi zinazounda maada.
Sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati ya mitambo, iliyopendekezwa na Lomonosov, iliungwa mkono tu baada ya Rumford kudhibitisha uwepo wa mwendo wa chembe ndani ya maada wakati wa majaribio.
Ili kupata joto, mwanafizikia Davy alijaribu kuyeyusha barafu kwa kusugua vipande viwili vya barafu dhidi ya kila kimoja. Aliweka dhana kulingana na ambayo joto lilizingatiwa kama mwendo wa oscillatory wa chembe za maada.
Sheria ya Mayer ya kuhifadhi na kubadilisha nishati ilichukulia kutobadilika kwa nguvu zinazosababisha kuonekana kwa joto. Wazo hili lilishutumiwa na wanasayansi wengine, ambao walikumbusha kwamba nguvu inahusiana na kasi na wingi, kwa hiyo, thamani yake haiwezi kubaki bila kubadilika.
Mwishoni mwa karne ya kumi na tisa, Mayer alifupisha mawazo yake katika kijitabu na kujaribu kutatua tatizo halisi la joto. Je, sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati ilitumikaje wakati huo? Katika ufundi mechanics, hapakuwa na maafikiano kuhusu jinsi ya kupata, kubadilisha nishati, kwa hivyo swali hili lilibaki wazi hadi mwisho wa karne ya kumi na tisa.
Hulka ya sheria
Sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati ni mojawapo ya sheria za msingi, zinazoruhusuhali fulani za kupima kiasi cha kimwili. Inaitwa sheria ya kwanza ya thermodynamics, kitu kikuu ambacho ni uhifadhi wa thamani hii katika mfumo wa pekee.
Sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati huanzisha utegemezi wa kiasi cha joto kwenye vipengele mbalimbali. Katika kipindi cha tafiti za majaribio zilizofanywa na Mayer, Helmholtz, Joule, aina mbalimbali za nishati zilijulikana: uwezo, kinetic. Mchanganyiko wa spishi hizi uliitwa mitambo, kemikali, umeme, joto.
Sheria ya uhifadhi na ubadilishaji wa nishati ilikuwa na uundaji ufuatao: "Mabadiliko ya nishati ya kinetiki ni sawa na mabadiliko ya nishati inayoweza kutokea."
Mayer alifikia hitimisho kwamba aina zote za wingi huu zinaweza kubadilika hadi nyingine ikiwa jumla ya kiwango cha joto kitasalia bila kubadilika.
Maelezo ya hisabati
Kwa mfano, kama kielelezo cha kiasi cha sheria, tasnia ya kemikali ndiyo mizani ya nishati.
Sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati huanzisha uhusiano kati ya kiasi cha nishati ya joto inayoingia katika eneo la mwingiliano wa vitu mbalimbali, na kiasi kinachoondoka katika eneo hili.
Mpito kutoka kwa aina moja ya nishati hadi nyingine haimaanishi kuwa inatoweka. Hapana, ni mabadiliko yake pekee katika umbo lingine yanazingatiwa.
Wakati huo huo, kuna uhusiano: kazi - nishati. Sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati inachukua uthabiti wa idadi hii (jumla yakewingi) kwa michakato yoyote inayotokea katika mfumo uliotengwa. Hii inaonyesha kwamba katika mchakato wa mpito kutoka kwa aina moja hadi nyingine, usawa wa kiasi huzingatiwa. Ili kutoa maelezo ya kiasi cha aina tofauti za mwendo, nyuklia, kemikali, sumakuumeme, nishati ya joto ilianzishwa katika fizikia.
Maneno ya kisasa
Sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati inasomwa vipi leo? Fizikia ya classical inatoa nukuu ya hisabati ya postu hii kwa namna ya mlingano wa jumla wa hali kwa mfumo funge wa thermodynamic:
W=Wk + Wp + U
Mlinganyo huu unaonyesha kuwa jumla ya nishati ya kimitambo ya mfumo funge inafafanuliwa kama jumla ya nishati ya kinetiki, uwezo, wa ndani.
Sheria ya uhifadhi na ubadilishaji wa nishati, fomula yake iliyowasilishwa hapo juu, inaelezea kutofautiana kwa kiasi hiki cha kimwili katika mfumo funge.
Hasara kuu ya nukuu za hisabati ni umuhimu wake kwa mfumo funge wa thermodynamic.
Mifumo iliyofunguliwa
Ikiwa tutazingatia kanuni ya nyongeza, inawezekana kabisa kupanua sheria ya uhifadhi wa nishati kwa mifumo ya kimwili isiyofungwa. Kanuni hii inapendekeza kuandika milinganyo ya hisabati inayohusiana na maelezo ya hali ya mfumo, si kwa maneno kamili, lakini kwa nyongeza zao za nambari.
Ili kuzingatia kikamilifu aina zote za nishati, ilipendekezwa kuongezwa kwa mlingano wa awali wa mfumo bora.jumla ya nyongeza za nishati ambazo husababishwa na mabadiliko katika hali ya mfumo uliochambuliwa chini ya ushawishi wa aina mbalimbali za uga.
Katika toleo la jumla, mlinganyo wa hali ni kama ifuatavyo:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Mlinganyo huu unachukuliwa kuwa kamili zaidi katika fizikia ya kisasa. Hiyo ndiyo ikawa msingi wa sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati.
Maana
Katika sayansi hakuna ubaguzi kwa sheria hii, inasimamia matukio yote ya asili. Ni kwa msingi wa postulate hii kwamba mtu anaweza kuweka mawazo juu ya injini mbalimbali, ikiwa ni pamoja na kukanusha ukweli wa maendeleo ya utaratibu wa kudumu. Inaweza kutumika katika hali zote ambapo ni muhimu kueleza mabadiliko ya aina moja ya nishati hadi nyingine.
Matumizi ya mitambo
Sheria ya uhifadhi na mabadiliko ya nishati inasomwa vipi kwa sasa? Kiini chake kiko katika mpito wa aina moja ya wingi huu hadi nyingine, lakini wakati huo huo thamani yake ya jumla inabakia bila kubadilika. Mifumo hiyo ambayo michakato ya mitambo inafanywa inaitwa kihafidhina. Mifumo kama hii ni bora, yaani, haizingatii nguvu za msuguano, aina zingine za upinzani zinazosababisha upotezaji wa nishati ya mitambo.
Katika mfumo wa kihafidhina, ni mabadiliko ya pande zote pekee ya nishati inayoweza kutokea kuwa nishati ya kinetiki hutokea.
Kazi ya nguvu zinazofanya kazi kwenye mwili katika mfumo kama huo haihusiani na umbo la njia. Thamani yakeinategemea nafasi ya mwisho na ya awali ya mwili. Kama mfano wa nguvu za aina hii katika fizikia zingatia nguvu ya uvutano. Katika mfumo wa kihafidhina, thamani ya kazi ya nguvu katika sehemu iliyofungwa ni sifuri, na sheria ya uhifadhi wa nishati itakuwa halali katika fomu ifuatayo: Katika mfumo wa kufungwa wa kihafidhina, jumla ya uwezo na nishati ya kinetic. ya miili inayounda mfumo bado haijabadilika.”
Kwa mfano, katika hali ya kuanguka kwa mwili bila malipo, nishati inayoweza kutokea hubadilika kuwa umbo la kinetiki, ilhali thamani ya jumla ya aina hizi haibadilika.
Kwa kumalizia
Kazi ya kimakanika inaweza kuchukuliwa kuwa njia pekee ya kubadilishana mwendo wa kimakanika hadi aina nyinginezo za mada.
Sheria hii imepata matumizi katika teknolojia. Baada ya kuzima injini ya gari, kuna hasara ya taratibu ya nishati ya kinetic, ikifuatiwa na kusimamishwa kwa gari. Uchunguzi umeonyesha kuwa katika kesi hii, kiasi fulani cha joto hutolewa, kwa hiyo, miili ya kusugua ina joto, na kuongeza nguvu zao za ndani. Katika kesi ya msuguano au upinzani wowote wa harakati, mpito wa nishati ya mitambo katika thamani ya ndani huzingatiwa, ambayo inaonyesha usahihi wa sheria.
Uundaji wake wa kisasa unaonekana kama: "Nishati ya mfumo uliotengwa haipotei popote, haionekani kutoka popote. Katika matukio yoyote yaliyopo ndani ya mfumo, kuna mpito wa aina moja ya nishati hadi nyingine, uhamisho kutoka kwa mwili mmoja hadi mwingine, bila.mabadiliko ya kiasi."
Baada ya ugunduzi wa sheria hii, wanafizikia hawaachi wazo la kuunda mashine ya mwendo ya kudumu, ambayo, katika mzunguko uliofungwa, hakutakuwa na mabadiliko katika kiwango cha joto kinachohamishwa na mfumo hadi. ulimwengu unaozunguka, kwa kulinganisha na joto lililopokelewa kutoka nje. Mashine kama hiyo inaweza kuwa chanzo kisichoisha cha joto, njia ya kutatua shida ya nishati ya wanadamu.
